Вырезать — вставить

В 2021 году химики под руководством Марка Левина просто взяли и вырезали из середины молекулы амина атом азота — вся остальная молекула при этом не пострадала. Убрать один атом — звучит банально, но по сути это все равно что вырезать из середины небоскреба, который строили несколько лет, один этаж — так, чтобы жители небоскреба не заметили. Или удалить один позвонок, не нарушая целостности и работоспособности всего скелета.

До этой работы даже простейшие из подобных реакций казались фантазиями, поскольку противоречили базовым принципам органического синтеза. А всего через два года ученые заменяли одни атомы другими уже внутри ароматических гетероциклов. Ровно об этом грезили медицинские химики — в возможность таких реакций они просто не верили, поэтому стали прочить ее открывателю Нобелевскую премию.

Ретросинтез

Органический синтез в его нынешнем виде сформировался к 60-м годам XX века. Накопленные к этому времени подходы и принципы для синтеза природных органических молекул собрала вместе и унифицировала комиссия во главе с будущим Нобелевским лауреатом Элайасом Кори — чтобы следующие поколения химиков-синтетиков могли работать согласованно. Если до этого органики действовали скорее интуитивно, методом проб и ошибок тестируя пришедшие в голову пути синтеза веществ, Кори с коллегами предложили подходить к этому делу алгоритмически. Эти принципы Кори со своим постдоком Чэн Сюэ Минем описал в книге 1989 года.

Основа предложенного подхода — ретросинтетический анализ, метод постепенного мысленного дробления целевой молекулы на составные части. Идея Кори была в том, чтобы понять, какие предшественники у необходимого вещества могли бы быть. Для это он предлагал представить молекулу как конструктор — и шаг за шагом разбирать на все более мелкие элементы, пока на бумаге не окажутся доступные стартовые вещества. А разобравшись с тем, как этот конструктор устроен и какие детали в него входят, — уже можно придумывать, как потом собрать обратно нужную молекулу. Принципы дробления, которые нашел Кори, стали в итоге теорией органического синтеза. Если до этого он был интуитивным — то теперь стал подчиняться набору логических правил.

Например, он советовал:

• разрывать связи при наиболее замещенных атомах углерода;
• разрывать связи около ароматических циклов;
• не разбивать сами ароматические циклы, а планировать синтез так, чтобы эти циклы были в исходных веществах.

Ретросинтетическим анализом химики-органики до сих пор пользуются. Почти каждая статья по начинается с ретросинтеза целевой молекулы. Но несмотря на то, что сам ретросинтез не устарел, а новых универсальных теорий вместо него не появилось, подход к выбору синтетических целей поменялся. Во времена Кори химики синтезировали вещества со сложной структурой потому, что заранее было неизвестно, можно ли их вообще получить, — и в этом был научный интерес. Сейчас, когда стало понятно, что в принципе любое природное соединение так или иначе получить можно, вопрос уже только в числе стадий и простоте пути. Чем проще и изящнее будет синтез — тем лучше.

От ретроупрощений к ретрозаменам

Подход Кори — действительно универсальный и устраивал химиков-синтетиков. Но реакции, которые они в то время использовали, были эффективными далеко не всегда. Поэтому химики стали разрабатывать новые синтетические методы. Например, в 2001 году американский химик Барри Шарплесс с коллегами стал искать самые эффективные реакции — те, которые работают со стопроцентным выходом, соединяя между собой органические строительные блоки без сложных экспериментальных техник. Довольно быстро из этой идеи развилось целое отдельное направление — клик-химия (подробнее про нее можно прочитать в нашем материале «Клик — и готово»). А в конце 2000-х ученик и коллега Кори Фил Баран (Phil S. Baran) предложил использовать только упрощающие трансформы и вообще отказаться от реакций отдельных функциональных групп. И показал, что это возможно.

Все эти подходы совсем не противоречили идеям Кори, а, напротив, строились на их основе. Классический органический синтез всегда был направлен на получение целевой структуры практически с нуля — а не на введение в уже полученную молекулу небольших изменений. Методов варьирования готовой структуры к началу XXl века было известно не так много. А необходимость в них явно была.

Например, вводить точечные изменения очевидно требовалось в фармакологии. Обычно при разработке лекарства библиотеку органических веществ тестируют на способность связываться с некоторым белком-мишенью (то есть их аффинность к целевому белку) и изменять его активность. Из протестированных веществ выбирают наиболее активное, а затем вводят небольшие изменения в его структуру. Каждый аналог затем тестируют снова, и в результате нескольких таких итераций получают нужную структуру вещества с наибольшей активностью.

К началу 2000-х уже было известно, что значительно поменять аффинность вещества по отношению к белку можно, просто добавив в молекулу небольшую группу или гетероатом в цикл. Например, ввести в изначально полностью углеродный ароматический цикл атом азота. Для такого атома даже придумали специальное название — необходимый атома азота (necessary nitrogen atom).

При такой модификации молекулы ее общая геометрия не меняется, поэтому она все так же без проблем влезает в активный центр белка, но за счет появившейся неподеленной пары электронов на атоме азота небольшие изменения конформации и новая водородная связь обеспечивают более прочную связь с белком и повышают эффективность препарата. Иногда небольшая замена гетероциклического ядра открывает дорогу к целому семейству новых лекарственных препаратов. Так произошло, например, со  — препаратами для снижения уровня холестерина.

Обычно, если синтез аналогов представляется не слишком затратным, медицинские химики стараются проверить все возможные простые комбинации расположения гетероатомов в пятичленных и шестичленных ароматических циклах. Трудность в том, что методы синтеза разных гетероциклов сильно различаются. Один лишний атом азота — и синтезировать уже надо совсем по другим реакциям из других исходных веществ. Одним атомом углерода меньше — опять все заново. В итоге для каждого такого теста приходится проводить отдельный многостадийный синтез.

Например, при разработке недавно одобренного FDA препарата от глаукомы омиденепага, ученые протестировали три возможных расположения атома азота в бензольном кольце. Синтез каждого из соединений-кандидатов занял больше трех препаративных стадий. Каждая стадия — несколько часов лабораторной работы и несколько дополнительных часов или дней ожидания.

Если бы можно было легко менять одни атомы внутри гетероциклов на другие в уже готовой молекуле, поиск подходящей структуры стал бы проще. Потому что проверка каждой следующей комбинации — всего одна дополнительная препаративная стадия на основе уже полученной базовой молекулы. Но схемы получения до сих пор приходилось придумывать с помощью классического ретросинтеза: добавлять, удалять или заменять атомы внутри уже готовых ароматических гетероциклов в начале 2010-х химики еще не умели. В первую очередь потому, что ароматические гетероциклы очень устойчивы, а их реакционная способность по скелетным связям совсем низкая. Сама идея о том, что в них можно что-то поменять, не затрагивая при этом остальные части молекулы, казалась очень смелой.

Гетероциклическое редактирование

Ctrl+X

Вносить точечные изменения в скелет гетероциклов первым решился профессор Чикагского университета Марк Левин с коллегами. Начали они с неароматических гетероциклов: химики придумали, как можно из из вторичного амина (в том числе циклического) вырезать атом азота.

Фактически ученые показали, что если нужно получить какое-то кольцо из атомов углерода, то, возможно, сначала имеет смысл получать такое же кольцо, но с дополнительным атомом азота, а потом этот атом просто вырезать. Но именно благодаря наличию азота изначальная сборка кольца становилась проще.

Хотя идея выглядела не очень сложно, до этого подобные реакции просто не рассматривали: удаление атома из центра молекулы выглядит для химика, воспитанного в духе классического синтеза, совершенно контринтуитивно. Реакции такого типа, в которых циклический скелет молекулы можно менять, не затрагивая ее периферию, ученые назвали скелетным редактированием (skeletal editing).

Этот неочевидный подход к синтезу — удалять атомы из центра молекулы, а не соединять их друг с другом — сразу позволил значительно упростить синтез некоторых веществ, даже в своей первой простой версии для алифатических молекул. Оставалось адаптировать этот метод для более устойчивых и более важных для фарминдустрии ароматических гетероциклов.

Ароматическое редактирование

Долго ждать не пришлось: химики сделали это в том же году. Они придумали, как в пятичленные азотные гетероциклы пирролы и индолы внедрить атом углерода, чтобы получились шестичленные пиридины и хинолины. Один ароматический гетероцикл в итоге превращался в другой.

Происходило это превращение следующим образом. Сначала неустойчивый карбен реагировал с богатой электронами двойной связью пиррола или индола, образуя нестабильный циклопропан, который быстро раскрывался с образованием шестичленного цикла. Это был первый пример скелетного редактирования ароматического ядра молекулы, работающего в мягких условиях и с разнообразными субстратами.

С помощью такого подхода ученые получили всего в одну стадию аналоги препарата для снижения веса аторвастатина и антипсихотика молиндола. Классический синтез потребовал бы для получения этих веществ совсем других исходных веществ и значительно большего количества стадий — поскольку общих классических методов синтеза для пятичленных и шестичленных азотных гетероциклов просто не существует.

Обе открытые Левиным реакции в неоптимизированном виде были, в принципе, известны. И азот химики уже из аминов удаляли, и хинолины из индола получали. Но во всех случаях для проведения этих превращений они использовали очень активные реагенты и простые, однообразные субстраты. Левин же научился редактировать сложные молекулы с помощью мягких реагентов, которые можно применять на поздней стадии синтеза целевого вещества.

Через год похожее превращение, но с внедрением атома азота, а не углерода, провела группа Билла Моранди. Химики получили из индолов хиназолины.

Ctrl+X Ctrl+V

Разобравшись с внедрением в скелет молекулы новых атомов и вырезанием лишних (и дождавшись, пока научное сообщество примет результаты), группа Левина стала придумывать, как можно один атом в гетероцикле заменить на другой. В 2023 году они научились превращать фенилазиды в пиридины с помощью фотохимической перегруппировки. Это превращение позволило получить пиридин из ароматического азида в одну стадию. А так как синтезировать азиды химики умеют уже давно, просканировать все возможные положения азота в некоторой ароматической молекуле для дальнейшего тестирования биологической активности должно быть несложно. По крайней мере, легче, чем получать каждый из них с нуля.

Всего через месяц ученые опубликовали аналогичную работу по замене углерода на азот в N-оксидах хинолинов с образованием хиназолинов. И снова использованное химиками превращение было известно и до этого: фотохимические перегруппировки N-оксидов хинолинов были открыты еще в 60-х годах XX века. Но за счет использования диодных ламп с узким спектром длин волн излучаемого света, Левину удалось повысить их селективность — и теперь они приводили не к смеси, а к единственному продукту.

А совсем недавно группа Даниэле Леонори взялась за тиазолы — пятичленные гетероциклы с одним атомом азота и одним атомом серы. Ученые показали, что при облучении из одного такого гетероцикла можно получить набор его изомеров с разным расположением заместителей и гетероатомов в кольце. Причем выбирать нужный изомер можно просто заменой растворителя и добавкой основания. И снова свой успех химики связали с возможность облучать реакционную смесь источником света с определенной длиной волны.

В ожидании новых лекарств

Реакции скелетного редактирования очень молоды. И хотя уже сейчас понятно, что в фарминдустрии эти реакции могут привести к резкому качественному скачку, пока к нему ученые только подступаются. Сейчас химики продолжают искать и устранять недостатки метода, и пытаются, хотя бы грубо, очертить границы его возможностей.

Например, почти сразу стало понятно, что для скелетного редактирования часто нужны далеко не самые простые и удобные реагенты. Для того же превращения N-оксидов хинолинов в хиназолины нужен сильнейший окислитель озон — и это, на первый взгляд, пугает. Особенно с учетом того, что получить надо лекарственные препараты, структуры которых часто напичканы аминогруппами и гетероциклами, чувствительными к окислению. Тем не менее, проводить это превращение в присутствии аминогрупп, как показывает Левин, можно, если охладить реакционную смесь до −78 градусов Цельсия — при такой температуре селективно окисляется только нужная двойная связь.

Скелетное редактирование уже вовсю применяют в полном синтезе природных соединений. Так, химики под руководством Цзи Дай Миня провели полный синтез природных алкалоидов ликодина и его димера компланадина A с помощью внедрения атома углерода в пиррольный цикл. В итоге 15-стадийный синтез, который был нужен для получения ликодина раньше, удалось превратить в восьмистадийный.

Примеров использования скелетного редактирования в синтезе лекарств пока нет. И это неудивительно: часто разработка лекарства занимает десятилетия, а с момента первой публикации Левина прошло всего три года. Тем не менее, как уверяет, например, Дэвид Блэкмор, глава одного из синтетических отделов компании Pfizer, они уже применили реакцию скелетного редактирования в одном из своих синтезов и продолжают тестировать ограничения опубликованных методов.

Химический ластик

Реакции скелетного редактирования выглядят очень просто на бумаге. В отличие от ретросинтеза, здесь не нужны пространственное мышление и сложная химическая комбинаторика. Стереть одну букву C в химической формуле на бумаге — банально и просто, как и дописать на ее месте, например, N. До такого совсем легко додуматься — а теперь есть понимание, что такие превращения возможны не только на бумаге и примитивные догадки вовсе не бессмысленны.

Несколько десятилетий назад внешняя простота реакций кросс-сочетания привела к их повсеместному распространению. В каждой химической лаборатории теперь есть катализаторы и исходные вещества для их проведения. По мнению Левина, такая же судьба ждет и наиболее привлекательные реакции скелетного редактирования, которые еще предстоит разработать. Но уже сейчас они до некоторой степени изменили устоявшиеся принципы и паттерны мышления химиков-синтетиков. Знание ретросинтетических принципов и сложных перегруппировок, которые казались упрощением и систематизацией для химиков прошлых поколений, теперь вообще может навредить. Возможно, уже пришла очередь новых химиков с новой интуицией. Возможно, она им что-то подскажет.